Đồ án Xử lí chất thải bã khoai mì

otrophicMethanogen sử dụng cơ chất là Hydro và cacbonic. Dưới 30% lượng metan được sinh ra bằng con đường này. Con đường 2 : CH3COOH®CO2 + CH4 4CO + 2H2O® CH4 + 3CO2 Loại vi sinh vật Acetotrophic Methanogen chuyển hóa acetat thành metan và cacbonic. Khoảng 70 % lượng metan sinh ra là qua con đường này. Tuy nhiên, năng lượng giải phóng từ phản ứng này tương đối nhỏ.Cacbonic giải phóng ra lại được khử thành metan bằng con đường 1.Chỉ có một số loài vi sinh vật sinh metan sử dụng được cơ chất là cacbon monoxit. Con đường 3 : CH3OH + H2 ®CH4 + H2O 4(CH3)3-N + 6H2O ® 9CH4 + 3CO2 + 4NH3 Loại vi sinh vật methylotrophic Methanogen phân giải cơ chất chứa nhóm Metyl (-CH3 ).Chỉ một lượng không đáng kể metanđược sinh ra từ con đường này. Nhiều nghiên cứu trên các cơ chất hòa tan khác nhau trước đây đã cho thấy giai đoạn này diễn tiến khá chậm chạp và do đó từng được coi là giai đoạn giới hạn tốc độ của cả quá trình. Phương trình động học Monod được coi là nền tảng cho hầu hết các nghiên cứu với giả thiết tốc độ sinh trưởng tế bào chỉ phụ thuộc vào nồng độ chất nền ( axit acetic ) trong bể phân hủy. Tuy nhiên, các mô phỏng này chỉ đặc trưng được một giai đoạn nhất định của cả quá trình hoặc chưa bao quát được tương đối đủ các yếu tố ảnh hưởng. Trong các nghiên cứu gần đây cho thấy giả thiết trên được coi là không còn mang tính đại diện khi một loạt các yếu tố ảnh hưởng khác được tính đến làm tiền đề cho mô hình nghiên cứu đầy đủ hơn, cặn kẽ hơn, phức tạp hơn rất nhiều cùng với sự trợ giúp đắc lực củ máy tính điện tử bao gồm nồng độ chất nền, sư ức chế bởi các sản phẩm trung gian và cân bằng ion của chúng, sự tương tác giữa các nhóm vi khuẩn khác nhaucủa mỗi giai đoạn, cấu trúc bể phân hủy ( kích thước hình học, kết cấu bể, hình thức tập hợp vi khuẩn ), các thông số thủy lực ( lưu lượng chất thải, ảnh hưởng của sự truyền khối cơ chất đến hoạt động của vi sinh vật và sự chuyển khí sinh học từ trong lòng hỗn hợp phân hủy ra ngoài ). Ngoài ra, cơ chất phân hủy trong thực tế lại là một hỗn hợp của những chất khác nhau ( bao gồm cả chất béo, hydrat cacbon và protein ) càng đòi hỏi các nghiên cứu chi tiết hơn và mô phỏng chính xác hơn quá trình xảy ra để từ đó dự đoán được xu hướng và diễn biến của quá trình. Tóm lại, phân tích khá chi tiết các khía cạnh quan trọng và mới liên quan chặt chẽ lẫn nhau của từng giai đoạn ở trên cho thấy để cả quá trình phân giải kị khí có thể diễn tiến tuận lợi như mong muốn, cần duy trì môt cân bằng giữa tốc độ sinh thành axit ( bởi giai đoạn thủy phân, axit hóa và acetat hóa) với tốc độ tiêu thụ axit ( bởi giai đoạn tạo metan ). Sự sản xuất quá mức các axit dẫn đến sự tích tụ của các sản phẩm lên men đến ngưỡng gây ức chế và tiến tới chấm dứt quá trình. Bốn giai đoạn được phân chia như trên thật sự chỉ mang tính quy ước mà thôi, thực tế trong bể phân hủy kị khí các giai đoạn xảy ra cùng một lúcvà đồng bộ với nhau để đạt đến sự cân bằng và hiệu quả mong muốn. VI SINH VẬT HỌC CÁC GIAI ĐOẠN CỦA QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ CHẤT THẢI HỮU CƠ BÃ KHOAI MÌ Công tác nghiên cứu vi sinh vật của quá trình phân hủy kị khí nhìn chung gặp phải nhiều khó khăn do tốc độ sinh trưởng vi sinh chậm và nhiều loài thậm chí không sinh trưởng trong môi trường thuần khiết mà chỉ tồn tại trong điều kiện cộng sinh với loài khác hoặc cho các sản phẩm khác với môi trường tự nhiên. Mỗi giai đoạn trong quá trình có liên quan đến một số nhóm vi khuẩn khác nhau, mỗi nhóm gồm nhiều loài khác nhau. Ngoài ra, bản chất của chất nền cùng với điều kiện tiến hành phân hủy kị khí như nhiệt độ, pH, tốc độ nạp chất nền, thời gian lưucó ảnh hưởng rất lớn đến thành phần và số lượng loàicủa khu hệ sinh vật. Các kỹ thuật truyền thống và gần đây là các phương pháp sinh học phân tử hiện đại đã được ứng dụng để nghiên cứu ngày một sâu sắc hơn về khu hệ vi sinh vật gắn liền với quá trình phân hủy kị khí. Một số loại nấm và protozoa cũng đóng góp vào quá trình, nhưng vai trò phân hủy chất hữu cơ kị khí chủ yếu thuộc về các vi sinh vật nhân nguyên thủy ( procaryotes ) bao gồm vi khuẩn ( Bacteria ) và vi sinh vật cổ (Archaea). Giai đoạn thủy phân Tham gia vào giai đoạn đầu tiên của quá trình phân hủy kị khí các chất hữu cơ chủ yếu là các vi khuẩn kị khí bắt buộc xen lẫn các vi khuẩn kị khí tùy tiện. Vi khuẩn thủy phân thường có hình que, nhuộm gram dương hoặc gram âm. Bản chất của chất nền rất quyết định đến chủng loại các vi khuẩn này. Đối với các chất nền dễ phân hủy như hydratcacbon thí các loài streptococus bovis, Bacteriodes amylophilus, Selenomonas ruminatium, Succinomonas amylolytica chiếm ưu thế.  Giai đoạn axit hóa Khi sự axit hóa các hợp chất hữu cơ không phải là dầu mỡ ( hydratcacbon, protein ) thì vi khuẩn axit hóa đồng nghĩa với vi khuẩn lên men. Các vi khuẩn lên men cũng chính là các vi khuẩn thủy phân ( đã đề cập trong mục 2.3.1 ). Giai đoạn acetat hóa Như đã đề cập trong mục 2.2.4, vi khuẩn tham gia quá trình acetat hóa sinh trưởng cộng sinh với vi sinh vật tạo metan. Áp suất khí hydro nếu tăng lên đến giới hạn nhất định có thể làm ngưng trệ hoạt động của các vi khuẩn giai đoạn này. Điều đó cũng có nghĩa chúng chỉ có thể sinh trưởng và phát triển trong môi trường mà sản phẩm do chúng tạo ra – hydro - phải luôn luôn được tiêu thụ. Chính vì thế việc sống cộng sinh với vi sinh vật sinh metan ( là vi sinh vật tiêu thụ hydro ) là thực sự quan trọng. Tốc độ sinh sản của vi khuẩn này tương đối chậm với thời gian thế hệ thường từ 3 đến 7 ngày, ngay cả khi có sự hiện diện của vi sinh vật sinh metan, pH tối ưu cho các vi khuẩn acetat hóa nằm trong khoảng 6 – 7. Cũng như vi sinh vật sinh metan, chúng rất nhạy cảm với sự thay đổi của nhiệt độ môi trường. Các giống vi sinh vật acetat hóa quan trọng gồm Syntrophus, Syntrophobacter, Syntrophomonas. Được nghiên cứu nhiều có Syntrophobacter wolinii là loài vi khuẩn phân giải propionic và Syntrophomonas wolfei là loài vi khuẩn phân giải butyric. Giai đoạn sinh Metan Trong hệ thống phân loại vi sinh vật hiện đại, vi sinh vật sinh metan không thuộc giới vi khuẩn ( bacteria ) như các vi sinh vật của ba giai đoạn trên mà thuộc giới vi sinh vật cổ ( Archae ) do có cấu tạo thành và màng tế bào khác biệt. Chúng đã xuất hiện từ rất lâu, được phân thành nhánh riêng trong cây phân loại nên được nghiên cứu khá kỹ lưỡng. Chuỗi phân giải kị khí chất hữu cơ được kết thúc nhờ các vi sinh vật này. Chúng có nhiều hình dạng khác nhau ( que, cầu, đĩa dẹt, kết thành đám) và có loài chuyển động được, có loài không. Các giống khác nhau có thành tế bào thuộc cả hai nhóm gram âm ( methanococus ) và gram dương ( methanobacterium ). Đặc điểm chung của các cơ thể này là chịu được nhiệt độ khá cao ( 60 – 80oC, tùy loài ), sinh trưởng và phát triển trong môi trường có thế thử thấp ( < - 300mV), rất mẫn cảm với sự biến động của môi trường như oxy, nhiệt độ, pHnhưng ít nhạy cảm với các chất kháng sinh như penicilin. Coenzyme của vi sinh vật sinh metan rất đặc biệt : coenzyme M, coenzyme F430 và F 420 ( khiến chúng có khà năng tự phát quang dưới vùng sóng tử ngoại do đó có thể dễ dàng phát hiện chúng dưới kính hiển vi trong điều kiện này ). Thời gian thế hệ của chúng khá dài, khoảng 1 ngày ở 55oC đến 3 ngày ở 35oC và tới 50 ngày ở 10oC. Các chất có thể dùng để cung cấp nguồn cacbon và năng lượng cho vi sinh vật sinh metan khá đơn giản. Đó cũng chính là sản phẩm tạo ra từ giai đoạn acetat hóa. Tuy 70 % lượng khí metan được sinh ra từ sự oxy hóa acetat, chỉ có một số loài vi sinh vật cổ có khả năng phân giải acetat, trong đó các giống quan trọng là Methanosaeta, Methanosarcina, Methannococus. Trong khi đó rất nhiều loài sinh metan có khả năng tạo metan từ hydro và cacbonic, trừ một nhóm chỉ phân giải acetic và một nhóm chỉ phân giải hợp chất chứa metyl. Hai loài Methanosarcina barkeri và Methanococus mazei là thường gặp nhất vì chúng có khả năng sử dụng bất cứ cơ chất nào. Ngày nay đã biết đến khoảng 83 loài vi sinh vật sinh metan, đều thuộc loại kị khí bắt buộc. Dụa vào sự khác nhau về khả năng sử dụngcơ chất để xếp loại chúng thành 3 nhóm lớn là a) 61 loài sử dụng CO2 và H2 tạo CH4 ; b ) 20 loài sử dụng hợp vchất chứa metyl ( 13 loài bắt buộc ) và c) 9 loài sử dụng acetat tạo ra CH4 ( 2 loài bắt buộc ). khoảng 23 % số loài thuộc vi sinh vật ưa nhiệt ( thermophillic ). Cần phải nhấn mạnh rằng điều kiện vận hành phân hủy kị khí ( pH, nhiệt độ, tính chất của chất nền, thời gian lưu cơ chất trong hệ thống) sẽ quyết định loài vi sinh vật nào chiếm ưu thế. Nhu cầu chất dinh dưỡng thay đổi theo các loài khác nhau. Gần đây đã phát hiện một số loài có khả năng sử dụng Nitơ phân tử ở thể khí. Biện độ môi trường khá hẹp, trong khoảng 6,5 – 7,6. tuy nhiên có một số loài đặc biệt vẫn sinh trưởng được trong điều kiện pH thấp ( 5 – 5,5 ) hay pH cao ( 8 – 9,2 ). Các công cụ sinh học phân tử hiện đại ngày nay cho phép phân loại vi sinh vật sinh metan chi tiết và tường tận hơn theo trình tự phân tử DNA trong tế bào. Tuy nhiên, vấn đề vẫn đang bỏ ngỏ hiện nay là xác lập mối liên hệ nhất định giũa loại chất đem phân hủy ( type of waste) và biến động về quần xã vi sinh vật sinh metan tương ứng. Ngoài các giống vi khuẩn tương ứng với từng giai đoạn, còn có thể tìm thấy vi khuẩn khử sunfat cùng tồn tại trong bể hân hủy sinh metan. Điều kiện môi trường và hình thái tế bào cũng như cấu trúc vi khuẩn khử sunfat cũng tương tự như vi sinh vật sinh metan. Nếu có sự hiện diện của sunfat, vi khuẩn khử sunfat như loài Desulfovibrio desulfuricans có thể phát triển và chúng sẽ tiêu thụ Hydro và acetat. Hơn nữa, hydro và acetat được tiêu thụ dẽ dàng hơn nhiều bởi vi khuẩn khử sunfat. Như vậy, vi khuẩn khử sunfat có sự cạnh tranh với vi sinh vật sinh metan. Tùy thuộc vào nồng độ chất nền và nồng độ sunfat mà lợi thế có thể nghiêng về một trong hai bên. CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN QUÁ TRÌNH PHÂN HỦY KỊ KHÍ Nhiệt độ Phân hủy kị khí là một quá trình phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ. Có hai khoảng nhiệt độ thích hợp với vi sinh sinh metan là nhiệt độ ưa ấm (30 – 40oC) và nhiệt độ ưa nóng (50 – 65oC) với hai nhiệt độ tối ưu tương ứng là 35oC và 55oC.Vùng nhiệt độ nằm giữa hai khoảng đó không tương thích với cả hai loại. Trong khi sự phân huỷ kị khí ở điều kiện ưa ấm được nghiên cứu khá kỹ thì sự phân huỷ ở điều kiện ưa nóng chỉ mới được nghiên cứu sâu trong thời gian gần đây. So sánh sự phân huỷ giữa hai khoảng nhiệt độ đều cho thấy một số ưu điểm của từng điều kiện như sau : Phân huỷ ở điếu kiện ưa ấm ( 30 – 40oC) thời gian lưu bùn tương đối dài® bể phân huỷ lớn Tốc độ phân huỷ chậm ® thời gian phân huỷ dài Bùn sau ổn định có độ ẩm cao Khả năng tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh thấp hơn Khả năng tích tụ axit do tốc độ phân huỷ quá nhanh ít xảy ra Vi sinh vật sinh metan chịu được sự dao động của nhiệt độ trong khoảng rộng ( dao động cho phép ± 2,8oC) Chỉ đòi hỏi gia nhiệt ở khu vực khí hậu lạnh Phân huỷ điều kiện ưa nóng ( 50 – 65oC) Thời gian lưu bùn ngắn hơn® thề tích bể phân huỷ nhỏ hơn tốc độ phân huỷ tăng lên ® thời gian phân huỷ được rút ngắn Bùn sau ổn định có độ ẩm thấp hơn khả năng tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh cao hơn Tốc độ phân huỷ nhanh nên nên dễ xảy ra tích tụ axit làm giảm pH môi trường và đòi hỏi bổ sung độ kiềm Vi sinh vật sinh metan trong điều kiện này rất mẫn cảm với sự dao động của nhiệt độ (dao động cho phép ± 0,8oC) Hệ thống đòi hỏi phải được gia nhiệt thường xuyên để duy trì nhiệt độ. Chính vì còn khá nhiều nhược điểm nên chỉ khoảng 10 năm trở lại đây xu hướng áp dụng điều kiện phân huỷ ưa nóng cho chất thải rắn đô thị và công nghiệp ở Châu Âu mới tăng lên nhưng vẫn chỉ bằng phân nữa số hệ thống áp dụng điều kiện phân huỷ ưa ấm. Ngoài ra, hiện nay cũng đã có một vài nghiên cứu quá trình ở nhiệt độ ưa lạnh (15 – 25oC), nhưng nhín chung hiệu quả phân huỷ cũng như tốc độ phân huỷ ở nhiệt độ này thấp hơn hẳn nhiệt độ ưa ấm. pH Cũng như nhiệt độ, pH là một thông số vô cùng quan trọng để quan trắc, vận hành và dự đoán chiều hướng xảy ra của quá trình phân huỷ. Như đã nói ở các mục trên , gí trị pH tối ưu cho các loài vi khuẩn ưu thế trong mỗi giai đoạn là khác nhau. Nói chung thì các vi khuẩn không sinh metan ( 2 giai đoạn đầu) tồn tại trong khoảng pH rộng hơn ( từ 5 đến 8,5) nhưng pH tối ưu cho chúng khoảng 5,5 đến 6,5 (tuỳ loài và tuỳ chất nền ). Trong khi đó , pH tối ưu cho các vi khuẩn sinh metan rất hẹp, khoảng 6,8 đến 7,3. Độ pH trong bể phân huỷ kị khí có thể bị giảm mạnh (đến 3) nếu tốc độ sản xuất axit (bởi các vi khuẩn 3 giai đoạn đầu ) vượt quá tốc độ tiêu thụ axit (bởi các vi sinh vật sinhmetan ). Ngược lại, độ pH cũng có thể tăng cao (đến hơn 8) nếu thành phần chất hữu cơ chứa quá nhiều Nitơ dẫn đến sự tích tụ NH3, cả hai trường hợp đều dẫn đến sự ức chế và có thể làm ngưng trệ quá trình. Ví vậy, duy trì độ pH nằm trong khoảng tối ưu thực chất là duy trì sự cân bằng giữa tốc độ sinh axit và tốc độ tiêu thụ axit, cũng là cân bằng giữa vi khuẩn không sinh metan và vi sinh vật sinh metan. Tính chất của chất nền Hàm lượng tổng chất rắn ( TS ) của mẫu ủ có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân hủy . Các vi sinh vật hấp thu các chất dưới dạng hòa tan và do đó nồng độ chất rắn hay độ ẩm của mẫu là quan trọng, vì nước tham gia vào quá trình hòa tan, vận chuyển chất và nhiệt năng vào trong tế bào, cũng như đưa các chất không cần thiết ra ngoài tế bào. Hàm lượng chất rắn quá cao không đủ hòa tan các chất cũng như pha loãng các chất trung gian khiến hiệu quả sinh khí giảm. Ngoài ra, hàm lượng chất rắn trong mẫu quyết định quyết định đến kết cấu và thiết kế hệ thống phân hủy để đạt được hiệu quả mong muốn. Hàm lượng tổng chất rắn bay hơi ( VS ) của mẫu thể hiện bản chất của chất nền, bao gồm những chất dễ phân hủy như (đường, tinh bột , protein, chất béo với hàm lượng thấp ) và những chất khó phân hủy ( như xenlulo). Tốc độ và mức độ phân hủy của mẫu phụ thuộc rất lớn vào phần trăm của mỗi thành phần kể trên trong mẫu. Ngoài ra, thực nghiệm cũng cho thấy kích thước và hình dạng của hợp phần hữu cơ rắn có ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình. Và như đã giải thích trong mục 2.2.1, kích thước nhỏ và cấu tạo dạng hạt rắn phù hợp để tăng số lượng các vi khuẩn thủy phântiết enzyme bám xung quanh hạt rắn rõ ràng có lợi cho quá trình phân hủy chất thải rắn. Các chất dinh dưỡng đại lượng và vi lượng Các chất dinh dưỡng đại lượng cần thiết cho quá trình sinh trưởng và phát triển của các vi sinh vật trong bể phân huỷ kị khí gồm Nitơ (N), Photpho (P) là chủ yếu. N cần thiết cho sự tổng hợp protein của tế bào, trong khi P có vai trò hỗ trợ quá trình sinh tổng hợp các axit nucleic. Tỉ lệ thích hợp được được đề nghị là 20:1 đến 30:1 cho C : N và 7:1 đối với N : P , trong đó N và P đều phải ở dạng dễ hấp thụ bởi vi sinh vật. Quá nhiều N có thể dẫn đến sự tích tụ amoni khiến pH tăng lên ức chế vi snh vật sinh metan. Trái lại, quá ít N không đủ cho vi sinh vật sinh metan tiệu thụ và sản lượng khí sinh học giảm. Nồng độ vừa đủ của một số kim loại có tác dụng kích thích sự trao đổi chất ở vi sinh vật sinh metan thông qua sự ảnh hưởng lên hoạt tính enzyme của chúng. Các chất vi lượng cần có mặt trong enzyme bao gồm Bari (Ba), Canxi (Ca), Magie (Mg), Natri (Na), Coban (Co), Niken (Ni), sắt (Fe), Sunfua (H2S) và một số nguyên tố dạng vết như Selen (Se), Tungsten (Tu), Molybden (Mo). Khuấy Đảo Hỗn Hợp Phân Hủy khuấy đảo hỗn hợp phân hủy có tác dụng làm tăng sự phân bố đồng đều và tăng cơ hội tiếp xúc giữa vi khuẩn, chất nền và các chất dinh dưỡng với nhau đồng thời cũng có tác dụng điều hòa nhiệt độ tại mọi điểm trong bể phân hủy, giảm tình trạng nóng hay nguội cục bộ. Khuấy đảo giảm bớt tình trạng vón cục của chất nền dạng hạt rắn do đó làm tăng diện tích bề mặt riêng của chúng và kích thích tốc độ thủy phân và lên men. Các tác dụng khác của sự khuấy đảo hỗn hợp bao gồm sự duy trì sự đồng nhất về lí tính và hóa tính của hỗn hợp, phân bố nhanh các sản phẩm trung gian sinh ra do đó tránh tình trạng ứ đọng cục bộ làm giảm hiệu quả phân hủy và ngăn ngừa sự vón kết hay phân tầng của các chất. Với các hệ thống qui mô lớn, để tăng tuổi thọ thiết bị khuấy đảo và giảm chi phí vận hành, khuấy đảo liên tục hỗn hợp là không cần thiết mà có thể khuấy đảo gián đoạn theo chu kì. Các chất gây độc Các kim loại nhẹ và cả kim loại nặng đều được coi la dinh dưỡng vi lượng nếu hiện diện với nồng độ đủ thấp và sẽ được coi là chất độc nếu nồng độ của chúng vượt quá ngưỡng cho phép. Các nghiên cứu gần đây về ảnh hưởng của kim loại lên hệ vi sinh vật bể phân huỷ kị khí cho thấy các vi sinh vật sinh metan mẫn cảm hợn là các vi khuẩn 3 giai đoạn đầu. Độc tính của các kim loại nói chung tăng theo hoá trị và nguyên tử lượng của chúng. Sự tồn tại đồng thời của nhiều kim loại với nồng độ cao hơn mức giới hạn của từng kim loại dẫn đến kết quả không có tính qui luật, một số trường hợp làm giảm độc tính (antagonism) và một số khác làm tăng độc tính (synergysm). dạng tồn tại của các kim loại cũng ảnh hưởng đến ngưỡng gây độc, các muối kết tủa hay các phức chất không thể đi qua màng tế bào nên khả nămg tác động ít hơn các muối hoà tan. Đối với chất nền chứa nhiều Nitơ, sự tạo thành và tích tụ ion Amoni (NH4+) và Amoniac (NH3) mang cả tính tích cực và tiêu cực. Nói chung thì NH4+ có thể được vi sinh vật sử dụng như là chất dinh dưỡng, trong khi đó NH3 gây ức chế và gây độc quá trình phân huỷ. Quá trình phân huỷ kị khí có đặc điểm là các sản phẩm tạo ra từ mỗi giai đoạn, nếu không được biến đổi kịp thời thành chất khác và tích tụ lại thì sẽ ức chế chính giai đoạn đó. Axit oleic và axit ropionic là các axit có độc tính cao nhất trong số các axit được sinh thành trong bể phân huỷ kị khí với nồng độ gây độc < 5 mg/l. Tốc độ nạp chất nền Trong các hệ thống phân hủy liên tục hay bán liên tục, tốc độ nạp chất nền đủ lớn sẽ giảm được khối tích bể phân hủy. Thông thường đại lượng này được thể hiện là số kg chất hữu cơ ban đầu có thể đưa vào một đơn vị thể tích bể phân hủy trong một đơn vị thời gian ( kg Vs/m3 /ngày đêm hay kg COD/m3/ngày đêm ). Tuy nhiên, nếu tốc độ nạp chất nền quá lớn sẽ dẫn đến hiện tượng tích lũy các sản phẩm trung gian ( như axit hữu cơ ) và làm ngưng trệ quá trình. Việc lựa chọn tốc độ vừa đủ để quá trình diễn tiến thuận lợi phụ thuộc vào thời gian lưu của vi sinh trong bể phân hủy ( SRT ) và tính chất của chất nền ban đầu ( TS, COD ). Kết cấu hệ thống Đơn giản nhất là các bể phân hủy theo mẻ không khuấy trộn, không gia nhiệt với thời gian lưu dài ( 30 – 60 ngày ). loại kết cấu cổ điển này cho sản lượng khí thấp và tốc độ nạp chất nền thấp vì xảy ra hiện tượng phân tầng trong bể. Kết cấu này đơn giản, rẻ tiền và dễ vận hành nhưng đòi hỏi diện tích mặt bằng lớn vì chiếu cao thấp. Tiến bộ hơn là kết cấu cho phép tốc độ nạp chất nền cao, được gia nhiệt và thời gian lưu ( SRT ) khoảng 15 ngày, khuấy trộn hoàn chỉnh, nồng độ chất nền ( tính theo lượng chất khô ) khoảng 10 – 15 %. So với bể phân hủy cổ điển này thì loại bể khuấy trộn có những ưu điểm hơn hẳn về hiệu quả phân hủy và lượng khí sinh học thu được. Xuất phát từ hạn chế của kết cấu thông thường đòi hỏi phải pha loãng chất nền nguyên thủy để đạt hàm lượng chất rắn 5 – 15 % ( kết cấu “ướt”), kết cấu hệ thống phân hủy chất thải với hàm lượng chất rắn cao 20 – 40 % ( kết cấu “ khô” ) đã ra đời. kết cấu “khô “ cho phép đơn giản hơn trong khâu tách loại các hợp chất phần vô cơ, thể tích bể phân hủy nhỏ hơn, tốc độ nạp chất nền cao hơn, năng lượng cần thiết để gia nhiệt ít hơn trong khi mức độ nhạy cảm với các chất ức chế, mức độ phân hủy chất thải và sản lượng khí sinh học cũng tương đương kết cấu ” ướt” nhưng kết cấu mới đòi hỏi mức độ đầu tư khá cao cho bộ phận khuấy đảo Ý tưởng tách biệt giai đoạn thủy phân và giai đoạn axit hóa với giai đoạn acetat hóa và metan hóa trong 2 bể khác nhau ( 2 pha ) nhằm tối ưu hóa điều kiện sống phù hợp với đặc trưng của các giống vi khuẩn tương ứng đã hình thành từ những năm 70 của những thế kỷ trước và gần đây đã được áp dụng thực tế ở các nước Âu Mỹ. Kết cấu phân hủy 2 pha như vậy cho tốc độ metan hóa cao hơn, sản lượng khí sinh học cao hơn, độ ổn định sinh học cao hơn nhưng đòi hỏi chi phí đầu tư lớn hơn, thiết kế và vận hành phức tạp hơn nên vẫn còn ít được áp dụng Vi sinh và tỉ lệ vi sinh trên chất nền Loại và số lượng vi sinh có ảnh hưởng đến hiệu quả phân hủy ( sản lượng khí sinh học thu được trên một đơn vị trọng lượng khô của chất nền và thành phần khí metan trong hỗn hợp khí sinh học ), tốc độ phân hủy. Thời gian thích nghi sẽ rất ngắn nếu môi trường cấy vi sinh tương tự như môi trường chất nền. Tỉ lệ vi sinh trên chất nền ( tính theo TS ) phụ thuộc vào loại chất nền và kết cấu bể phân hủy ( tuần hoàn chất nền hay không ). tỉ lệ này tăng lên theo mức độ khó phân hủy của chất nền, lượng vi sinh không đủ sẽ dẫn đến sự tích tụ các sản phẩm trung gian và làm ức chế quá trình. Hoạt tính của vi sinh cũng l2 yếu tố không thể bỏ qua, vì hoạt tính cao giúp rút ngắn thời gian phân hủy và do đó, với kết cấu phân hủy kiểu mẻ thì thời gian ngắn cũng có nghĩa là thể tích bể giảm đi. Nói chung hoạt tính với cùng một chất nền của tập hợp vi sinh dạng bùn hạt ( granular sludge ) cao hơn của tập hợp vi sinh dạng bùn lơ lững ( suspended sludge ). Điều này được giải thích do nồng độ vi khuẩn trong bùn hạt ( với cấu trúc không gian xốp, diện tích bề mặt riêng lớn ) lớn hơn bùn lơ lửng. Đặc biệt đối với quá trình phân hủy kị khí chất thải rắn dưới dạng mẻ, theo Kalyuzhnyi và cộng sự, thì lượng vi sinh ban đầu có vai trò rất quan trọng, vì lượng vi sinh lớn sẽ giú ngăn chặn được các sản phẩm trung gian như các axit béo bay hơi, hydro..bị tích lũy lớn đến mức vượt quá khả năng tiêu thụ của chúng bởi các vi sinh vật sinh metan. Ngược lại, lượng vi sinh quá nhiều có thể không được cung cấp đủ “thức ăn” ( cơ chất ) dẫn đến sự phân hủy nội bào, đồng thời làm tăng khối tích bể phân hủy. Vì vậy, việc xác định lượng vi sinh vừa đủ để quá trình phân hủy xảy ra theo chiều hướng thuận lợi là điều cần thiết không thua kém so với tầm quan trọng của pH và nhiệt độ. Lượng vi sinh có thể được xác định dựa trên khối lượng dịch men tươi ( có lẫn nước ), hay khối lượng dịch men khô ( VS của dịch men ), hay tế bào sống/ml dịch vi sinh  THÀNH PHẦN VÀ TÍNH CHẤT CƠ BẢN CỦA BÃ KHOAI MÌ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA CỦ KHOAI MÌ Thành phần hóa học Thành phần các chất trong củ khoai mì dao động trong khoảng khá lớn tùy thuộc loại giống, chất đất, điếu kiện phát triển của cây và thời gian thu hoạch. Thành phần trung bình của củ khoai mì được trình bày trong bảng. Bảng 2.1: Thành phần hóa học của củ khoai mì. Thành phần Tỷ lệ ( % trọng lượng ) Nước 63-70 Tinh bột 18-30 Chất đạm 1.25 Chất béo 0.08 Chất xơ 0.08 Protein 1.2 Đường 5.13 Tro 0.85 CN 173 ppm Nguồn : theo Recent Process in research and extension (1998) Đường trong củ khoai mì chủ yếu là glucose và mộtv ít maltose, saccarose. Khoai mì càng già thì hàm lượng đường càng giảm, hàm lượng đạm trong khoai mì khá thấp, trong chế biến đường hòa tan theo nước thải ra ngoài theo nước dịch. Chất đạm trong khoai mì cho đến nay vẫn chưa được nghiên cứu kĩ , tuy nhiên hàm lượng thấp nên ít ảnh hưởng đến công nghệ sản xuất. Ngoài những thành phần có giá trị dinh dưỡng, trong củ khoai mì còn chứa độc tố, tannin, sắc tố và cả hệ enzyme phức tạp.Người ta cho rằng trong số các enzyme thì polyquinol sau đó trùng hợp với các chất không có gốc phenol như acid –amine tạo thành chất có màu.Những chất này gây khó khăn cho chế biến và nếu qui trình công nghệ không thích hợp sẽ cho sản phẩm có chất lượng kém. Độc tố trong củ khoai mì là CN, nhưng khi củ chưa đào nhóm này nằm ở dạng glucozite gọi là phasecolutanin ( C10H17NO6 ). dưới tác dụng của enzyme hay ở môi trường acid.Chất này được phân hủy thành glucose, acetane và acid cyanhydric.Như vậy, khi đào củ khoai mì rồi mới thấy xuất hiện HCN tự do vì chỉ sau khi đào các enzyme trong củ mới bắt đầu hoạt động mạnh và đặc biệt xuất hiện nhiều trong khi chế biến và sau khi ăn vì trong dạ dày người hay gia súc là môi trướng acid và dịch trong chế biến cũng là môi trường acid. Phaseolutanin tập trung ở vỏ cùi, dễ tách ra trong quá trình chế biến , hòa tan tốt trong nước, kém tan trong rượu ethylic và methylic, rất ít tan trong chloroform và hầu như không tan trong ether. Vì hòa tan tốt trong nước nên khi chế biến, độc tố theo nước dịch ra ngoài, do đó mặc dù giống khoai mì đắng có hàm lượng độc tố CN cao nhưng tinh bột và khoai mì lát chế biến tứ khoai mì đắng vẫn sử dụng làm thức ăn cho người và gia súc tốt,Trong chế biến, nếu tách dịch bào nhanh thì có thể ảnh hưởng đến màu sắc của tinh bột do acid cyanhydric tác dụng với nguyên tố sắc có trong củ tạo thành feroxy cyonate có màu xám. Tùy thuộc giống và đất nơi trồng mà hàm lượng độc tố trong khoai mì có hàm lượng khoảng 0.001- 0.004 (Đoàn Dụ và các cộng sự 1983 ). Chất lượng và năng suất thu hồi tinh bột không những phụ thuộc vào qui trình công nghệ mà còn phụ thuộc nhiều vào chất lượng nguyên liệu . hiện nay, chưa có những tiêu chuẩn của nhà máy nước hay công nghiệp chế biến khoai mì làm nguyên liệu sản xuất tinh bột .tuy nhiên, ở từng nhà máy, cơ sở sản xuất đều có những qui định về chỉ số chất lượng nguyên liệu .các chỉ số ( tính trung bình % ) trong khoảng như sau ( tiêu chuẩn nhập nguyên liệu của nhà máy chế biến bột khoai mi Tân Châu – Tây Ninh và Vedan – Bình Phước ). Hàm lượng tinh bột không chứa 14 % trọng lượng. ( Củ nhỏ < củ dài < 10 cm, đường kính củ chỗ lớn nhất < 1.5 cm ) không qúa 4 %, củ vụn và dập nát không quá 3 % không có củ thối. Tạp chất khoáng và hữu cơ không quá 2 % Thành phần cơ b ản của bã khoai mì. Bã khoai mì sinh ra trong quá trình sản xuất tinh bột có thể được xem như là phụ phẩm hoặc thậm chí là phế phẩm. Chất thải từ quá trình sản xuất tinh bột khoai mì gồm: chất thải lỏng và chất thải rắn (vỏ, xác bã). Trong đó, chất thải dạng bã (pulp) nhận được từ giai đoạn chắt lấy nước sữa bột trong quá trình sản xuất tinh bột khoai mì. lượng bã thải này chiếm khoảng 20% lượng nguyên liệu và chiếm 5)% tổng bã rắn. Theo số liệu từ cục thống kê năm 1998, diện tích trồng khoai mì ở nước ta gần 300.000 ha với năng suất bình quân đạt 9 – 10 tấn/ha, cho sản lượng gần 3 triệu tấn/năm. với kỹ thuật chế biến như của ta hiện nay lượng bã thải chiếm khoảng ½ lượng khoai mì nguyên liệu như vậy sẽ đạt tới trên 1 triệu tấn/năm. Có nhiều nhà máy sản xuất bột khoai mì với công suất bình quân 200 tấn củ/ngày, thải ra khoảng 120 tấn bã khoai mì tươi/ngày. * Lượng chất thải rắn hàng năm của sắn: - Thế giới: 106 triệu tấn - Nam Phi: 42 triệu tấn - Châu Mỹ La Tinh: 33 triệu tấn - Châu Á: 30 triệu tấn Trong bã khoai mì có một hàm lượng tinh bột kể cả carbonhydrat hòa tan chiếm khoảng 40 – 75%, xơ khoảng 10 – 22%, protein 2 – 4%, chất béo 1 – 2% và lượng khoáng tổng không quá 3% gồm Ca, Mg, K, Na, P. Phần bã lâu nay vẫn chưa được sử dụng một cách hợp lý đồng thời cũng là một yếu tố làm ô nhiễm môi trường sống của dân cư vùng chế biến. Với số lượng lớn như vậy, việc sử lý và sử dụng có hiệu quả nguồn bã thải này sẽ có ý nghĩa kinh tế – xã hội đáng kể vì đây là một loại chất thải có hàm lượng cơ chất sinh học cao với tiềm năng và triển vọng ứng dụng của nó CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH BÃ KHOAI MÌ BAN ĐẦU + Nhu cầu oxi hoá học (COD), tổng chất rắn (TS), chất rắn lơ lững (SS), các chỉ tiêu hoá học (NH4+,NO3-, NO2-, PO4-) trong mẫu được chuẩn bị và phân tích theo “Standart Methods for the Examination of water and wastewater, 19th Edition, publish by APHA, AWWA, WEF in 1995”. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÍ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Mỗi thông số liên quan được phân tích 3 – 4 lần để thu nhận giá trị trung bình qua các lần đo. Mỗi dãy két quả thu nhận được của một thông số tại mỗi thời điểm đều được xử lí như sau : + Kiểm tra và loại bỏ sai số thô đại + Tính giá trị trung bình của các kết quả đo sau khi đã loại sai số thô + tính độ lệch chuẩn của giá trị trung bình (sai số chuẩn) Giá trị trung bình được chọn để tính toán và thể hiện trên các đồ thị. Cách tính từng giá trị thống kê ở trên cũng như giá trị tính toán cụ thể giá trị trung bình và sai số chuẩn của giá trị trung bình đó được trình bày trong phụ lục 1. : ẢNH HƯỞNG CỦA pH LÊN SỰ PHÂN HỦY KỊ KHÍ MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM Các thí nghiệm phục vụ nghiên cứu quá trình phân huỷ kị khí được thực hiện trong các thiết bị qui mô phòng thí nghiệm, bao gồm thiết bị chuẩn và thiết bị tự chế tạo. Mô hình thiết bị chuẩn Thiết bị mô hình này được chế tạo tại Nhật Bản bằng vật liệu thủy tinh trong suốt, dày 5mm, kết cấu dạng ống trụ, đáy kín, phần nắp và phần xung quanh ống trụ có gắn nhiều đầu chờ để gắn lắp các thiết bị quan trắc cần thiết như đầu dò pH, cánh khuấy, đầu lấy mẫu, ống thu khí sinh học nối với máy sắc kýkhoảng không gian bên trong ống trụ là buồng phân huỷ có tổng dung tích khoảng 3,4 lit với kích thước 220mm (chiều cao) x 140mm (đường kính trong) Mô hình tự chế tạo Do số lượng mẫu trong thí nghiệm ứng với các điều kiện pH thay đổi là tương đối nhiều, trong khi thời gian lưu mỗi mẫu để phân huỷ kéo dài khoảng 30 ngày nên một loạt các bình ủ (mô phỏng theo mô hình thiết bị chuẩn) đã được chế tạo thành một hệ thống mô hình, phục vụ công tác nghiên cứu thực nghiệm. Bình ủ bằng thuỷ tinh, dày khoảng 2,5mm, trong suốt, phía trên bình là nắp nhựa có khoang lỗ thu khí và lỗ thu mẫu. Khí Biogas sinh ra được dẫn qua bộ phận thu gom và đo thể tích bằng một ống nhựa; lỗ thu mẫu đặt cách đáy bình ủ khoảng 4cm có nối với một ống nhựa dài. Khoảng không gian bên trong bình ủ là buồng phân huỷ có thể tích làm việc khoảng 1,8l (kích thước bình ủ cao 140cm và chiều dài cạnh là 11,5cm). Bộ phận thu và đo khí gồm 2 ống trụ úp ngược và đan khít vào nhau hoạt động theo nguyên lí khí đẩy nước. Ống trụ lớn chứa nhiều dung dịch nước muối nồng độ 25g/l và được axit hoá đến pH = 2 bằng H2SO4 để giảm thiểu sự hoà tan của CO2 tạo thành vào nước. Trên ống trụ nhỏ có chia vạch, khoảng thể tích giữa hai vạch kề nhau là 40ml. Thể tích khí có thể đo được lớn nhất là 2l. Các bình ủ được đặt vào một bể điều nhiệt có kết cấu bằng vật liệu nhựa gi cố sợi thuỷ tinh ( FRT) và có tiết diện vuông 52cm. Bể này vừa làm nhiệm vụ ổn nhiệt vừa rung lắc 9 bình ủ đặt trên tấm đỡ kết cấu bằng các ống nhựa PVC trong bể. Tấm đỡ cùng với các bình ủ có thể di chuyển tịnh tiến theo chiều ngang bể nhờ được treo trên các con lăn ở hai cạnh đối diện nhau và được điều khiển bởi một motor. Nhiệt độ các bình ủ được duy trì ổn định bằng rơ le điều khiển với chế độ mong muốn. hình 4.3 là ảnh chụp bể tự tạo.hình là sơ đồ khối và ảnh chụp thực tế toàn bộ hệ thống mô hình thiết bị bao gồm các bình ủ, bộ thu và đo thể tích khí, kèm với bộ phận lắc và rung mẫu ủ. NGUYÊN LIỆU, HÓA CHẤT,THIẾT BỊ, DỤNG CỤ THÍ NGHIỆM Nguyên vật liệu Mẫu chất tải thí nghiệm (cơ chất) Cơ chất sử dụng trong suốt quá trình thực nghiệm là mẫu thải của bã khoai mì được tu thập từ cơ sở sản xuất và chế biến tinh bột khoai mì tại KCN sóng thần II, Bình Dương, TPHCM. Nồng độ các chất dinh dưỡng vi lượng như Sắt (Fe), Coban (Co), Niken (Ni).. của các cơ chất trên, trong giới hạn của đồ án này , được giả thiết là đầy đủ cho sự phát triển của vi sinh vật kị khí. Thành phần cơ bản của bã khoai mì được phân tích ở bảng 2.1 Thông số Bã khoai mì Đơn vị Tổng TS 0.5488 g/l SCOD 1620 g/l NO3- 1.2295 g/l NO2- 2.8337 g/l NH4+ 2.3879 g/l PO4- 2.5267 g/l SS (chất rắn lơ lững) 46.800 g/l Vi sinh (men giống) Vi sinh dùng để cấy trong tấc cả các mẫu thử nghiệm kị khí là bùn lắng thu từ bể phân huỷ kị khí UASB trong hệ thống xử lí nước thải xí nghiệp lợn giống Đông Á (Bình Dương) ở nhiệt độ không khí bình thường (± 30oC). Trong bùn chứa vi sinh , vi khuẩn sinh trưởng ở trạng thái lơ lửng, trước khi đem cấy với mẫu ủ, bùn được để lắng khoảng 2 giờ và phần nước phía trên mặt được rút bỏ. Mục đích là làm giảm độ ẩm và tăng nồng độ vi khuẩn trong bùn. Một số thông số của bùn ( vi sinh ) được phân tích bao gồm : Bảng 2.2 : k ết quả phân tích lượng vi sinh (bùn ) ban đầu. Thông số Bùn (vi sinh) Đơn vị Tổng TS 75.3 g/l SCOD 5639 g/l NO3- 1.0392 g/l NH4+ 207.9 g/l NO2- 1.3853 g/l PO4- 32.8960 g/l SS 90.960 g/l Thiết bị, hoá chất và dụng cụ thí nghiệm Các thiết bị, hoá chất và dụng cụ thông thường trong phòng thí nghiệm Công Nghệ Sinh Học Môi Trường của Viện Sinh Học Nhiệt Đới thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. Để phân tích các thông số đầu vào, đầu ra và quan trắc diễn biến quá trình, bao gồm tủ sấy, lò nung, thiết bị phá mẫt, máy quang phổ vùng sóng khả kiến, bình hút ẩm, máy đo pH, cân phân tích, dụng cụ thủy tinhvà các hoá chất tương ứng với mỗi chỉ tiêu được phân tích. QUAN TRẮC QUÁ TRÌNH THỰC NGHIỆM quan trắc phần hỗn hợp ủ : + Hàm lượng SCOD được coi là chỉ số quan trắc chủ yếu để đánh giá diễn tiến quá trình và được tiến hành phân tích vào các ngày lẻ kể từ thời điểm bắt đầu mỗi mẻ thực nghiệm (các ngày 1,3,5,7,9) và kéo dài đến khi kết thúc mẻ thực nghiệm đó. + Thông số pH được quan trắc hàng ngày + Thông số TS và SS chỉ được quan trắc kể từ thời điểm bắt đầu mỗi mẻ ủ thực nghiệm và khi kết thúc mẻ thí nghiệm. + Mẫu trong các bình ủ sử dụng để quan trắc các thông số này đều là phần dịch phía trên hỗn hợp ủ sau khi để lắng khoảng 30 phút. tấc cả các thông số đều được phân tích tại phòng thí nghiệm Công Nghệ Sinh Học Môi Trường của Viện Sinh Học Nhiệt Đới thuộc Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam. ẢNH HƯỞNG CỦA PH Sơ đồ thực nghiệm Thực nghiệm được tiến hành theo mẻ với thời gian ủ 35 ngày, mẻ thực nghiệm gồm 2 lô, mỗi lô gồm 10 bình ủ. Mục đích của thí nghiệm này nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của pH đến quá trình phân huỷ kị khí nên pH trong một lô ủ được cố định trong khoảng 6,8 – 7,3 là khoảng pH thích hợp nhất cho quá trình sinh trưởng và phát triển của các vi khuẩn acetat hoá và vi khuẩn sinh metan và là lô mẫu có khuấy trộn, còn pH trong một lô ủ được cố định pH, nhưng lô mẫu này không được khuấy trộn để theo đánh giá tốc độ phân huỷ của bã khai mì trong 2 phương pháp là khuấy trộn và không khuấy trộn. Ngoài ra còn một bình không chứa cơ chất mà chỉ chứa vi sinh (mẫu đối chứng). khối lượng cụ thể của cơ chất phân huỷ và lượng bùn (vi sinh) trong mỗi bình ủ ở 4 lô được thể hiện trong bảng 4.1. Bảng 4.1: Khối lượng cơ chất phân hủy v à lượng bùn trong mỗi bình ủ Số Bã mì (g) Vi sinh (g) R I/S Điều kiện Số Bã mì (g) Vi sinh (g) R I/S điều kiện 1 500g 250g 0.75 pH = 6,8 – 7,3, có khuấy trộn 1’ 500g 250g 0.75 pH = 6,8 – 7,3, không khuấy trộn 2 500g 500g 1 2’ 500g 500g 1 3 500g 750g 1.25 3’ 500g 750g 1.25 4 500g 1000g 1.5 4’ 500g 1000g 1.5 4’ 500g 1250g 1.75 4’’ 500g 1250g 1.75 5 500g 1500g 2 5’ 500g 1500g 2 6 500g 1750g 2.25 6’ 500g 1750g 2.25 7 500g 2000g 2.5 7’ 500g 2000g 2.5 8 500g 2250g 2.75 8’ 500g 2250g 2.75 9 500g 2500g 3 9’ 500g 2500g 3 Ghi chú : R I/S : là tỉ lệ vi sinh trên chất nền ( tính theo lượng chất khô bay hơi) hỗn hợp cơ chất và vi sinh được trộn đều bằng máy khuấy trong 10 phút với tốc độ 100 vòng trên / phút và sau đó được đậy ngay bằng nắp. Các bình ủ được đặt vào buồng có rung lắc. pH trong các bình ủ được đo 1 lần 1 ngày và điều chỉnh nó luôn dao động trong khoảng 6,8 đến 7,3 bằng dung dịch NaOH 5N. Sơ đồ thí nghiệm và điều kiện thí nghiệm bố trí như trên là để tìm tỉ lệ vi sinh trên chất nền thích hợp để quá trình phân huỷ kị khí diễn tiến thuận lợi. Các tỉ lệ RI/S lựa chọn để thí nghiệm (ghi trên bảng) cũng là các tỉ lệ cho hiệu quả sinh khí tối ưu với nhiều loại cơ chất khc1 nhau. Quá trình phân huỷ diễn ra tuần tự qua các giai đoạn sau : + Phân huỷ hiếu khí cơ chất nhờ các vi khuẩn hiếu khi và kị khí tuỳ tiện có sẵn trong bình ủ và khí oxy tồn tị trong khoảng không gian bên trên hỗn hợp trong bình ủ, quá trình này diễn ra tương đối ngắn. + Sau khi lượng oxy đã được tiêu thụ hết, bắt đầu quá trình phân huỷ kị khí cơ chất nhờ các vi khuẩn kị khí bắt buộc, bao gồm cả các vi khuẩn thuỷ phân, acetat hoá và sinh metan. Đây là quá trình chủ yếu và chiếm ưu thế trong bình ủ. Kết quả thực nghiệm các số liệu thực nghiệm được trình bày theo dạng đồ thị dưới đây SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.3. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2, trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu không khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.4. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu không khuấy trộn Ghi chú: Tỉ lệ vi sinh – chất nền 1,5 là tỉ lệ nghi ngờ tối ưu nên tiến hành ủ 2 mẫu 4 và 4’ để theo dõiSCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.5. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu không khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.6. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 8, 9 trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu không khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.7. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu có khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.8. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu có khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.9. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu có khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.10. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 8, 9 trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu có khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.11. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống chế tỉ lệ vi sinh – chất nền (VS/CN: 1,5/1) để khảo sát pH, loạt mẫu có khuấy trộn SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.12. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 5 trong mẻ khống chế tỉ lệ vi sinh – chất nền (VS/CN: 1,5/1) để khảo sát pH, loạt mẫu có khuấy trộn TS (g/l) Thời gian (ngày) SCOD (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.13. Sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy của mẫu 6, 7, 8 trong mẻ khống chế tỉ lệ vi sinh – chất nền (VS/CN: 1,5/1) để khảo sát pH, loạt mẫu có khuấy trộn Hình 4.14. Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 1, 2 trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu không có khuấy trộn TS (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.15. Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 3, 4, 4’ trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu không có khuấy trộn TS (g/l) Thời gian (ngày) Hình 4.16. Sự thay đổi TS theo thời gian phân hủy của mẫu 5, 6, 7 trong mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) để khảo sát tỉ lệ vi sinh – chất nền, loạt mẫu không có khuấy trộn Nhận xét kết qủa trình được trình bày trong đồ thị trên. Nhận xét : Trong phân hủy kị khí dạng mẻ cơ chất rắn, tỉ lệ vi sinh trên chất nền luôn đóng vai trò rất quan trọng. Khi gia tăng tỉ lệ vi sinh trên cơ chất thì nồng độ và thành phần vi sinh vật trong bình ủ thay đổi theo chiều hướng giảm sự tích lũy các chất trung gian và tăng cường phân hủy cơ chất. Ngược lại, khi ít men giống sẽ dẫn đến tình trạng mất cân bằng do tốc độ sinh thành axit lớn hơn tốc độ tiêu thụ axit. Hậu quả là sự tích lũy các sản phẩm trung gian sẽ gây ức chế quá trình phân hủy. Độ pH giảm thấp cũng là yếu tố rất bất lợi cho sự chuyển hóa cơ chất của vi sinh vật. điều này được minh chứng ở các hình 4.3 và 4.6 cho thấy mẫu nào có tỉ lệ vi sinh trên chất nền cao thì pH nhanh tăng đến khoảng pH tối ưu, cũng có nghĩa là tỉ lệ vi sinh trên chất nền cao giảm được ảnh hưởng của pH. a) Ở hình 4.3 đến 4.6 là hình biểu diễn sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy, loạt mẫu khống chế pH (6,8 – 7,3), loạt mẫu không khuấy trộn. Trong loạt mẫu này, ở hình 4.3 hai mẫu ủ ở cùng thời gian phân hủy nhưng mẫu 1 với tỉ lệ vi sinh trên chất nền ít hơn thì tốc độ phân hủy có phần chậm hơn mẫu 2 và cần nhiều thời gian hơn mẫu 2 để lượng SCOD giảm và ổn định. Ở hình 4.4 là hình iểu diễn sự thay đổi của 3 mẫu ủ nhưng trong đó có hai mẫu được ủ với tỉ lệ như nhau vì đây có thể là tỉ lệ tối ưu. Nên tiến hành ủ hai mẫu để đối chứng. Ta thấy, ở 2 mẫu 4 và 4’ giá trị SCOD tăng cực đại vào thời gian đầu ( ngày thứ 5,6 ) sau khi ủ và sau đó chúng dao động theo thời gian phân hủy cho đến ngày 25,26 thì giá trị này lại tăng lên gần đến mức cực đại và lúc này chúng mới giảm mạnh và trở nên ổn định. Còn mẫu 3 thì cũng cùng một thời gian phân hủy nhưng tốc độ đạt cực đại của SCOD diễn ra chậm hơn. Ở hình 4.5 là hình biểu diễn sự thay đổi SCOD của 3 mẫu 5,6,7 ban đầu thì lượng SCOD của cả 3 mẫu này rất ổn định nhưng đến ngày thứ 20 thì giá trị này mới tăng lên đến mức cực đại cho đến ngày 25 thì giá trị này mới giảm xuống và trở nên ổn định. Hình 4.6 là hình biễu diễn sự thay đổi của SCOD của hai mẫu ủ có tỉ lệ vi sinh tương đối cao, mẫu (8,9) nhưng lượng SCOD ban đẩu cũng xấp xỉ nhau, đến ngày 20 thì giá trị SCOD của hai mẫu này mới tăng đến giá trị cực đại và đến ngày 30 chúng mới thực sự dao động ổn định. b) Từ hình 4.7 đến hình 4.10 là hình biểu diễn sự thay đổi của SCOD theo thời gian phân hủy, mẻ khống chế pH (6,8 – 7,3) nhưng có khuấy trộn. Đối với loạt mẫu có khuấy trộn này ta có thể thấy được từ mẫu 1 đến mẫu 7, ở giai đoạn đầu của thời gian phân hủy thì loạt mẫu có khuấy trộn này giá trị SCOD đạt cực đại nhanh hơn loạt mẫu không khuấy trộn và hầu như tấc cả các mẫu đều có giá trị SCOD đạt cực đại ở ngày thứ 5 sau khi ủ, và chúng thường dao động khá ổn định cho đến ngày thứ 25 thì giá trị này giảm mạnh và ổn định. Riêng ở hình 4.8 đối với mẫu 4 và 4’ dùng đối chứng và được xem là tỉ lệ tối ưu thì qua ngày thứ 5 giá trị SCOD cũng đạt cực đại, chúng có dao động nhưng không đáng kể và gần như ổn định đến ngày thứ 25 thì nó giảm mạnh và ổn định hơn. Còn 2 mẫu 8,9 ở hình 4.10 những ngày đầu thì giá trị SCOD này tăng đến mức cực đại một cách nhanh chóng do được khuấy trộn và lượng vi sinh ban đầu cao hơn các mẩu khác. Nhưng khoảng dao động lên xuống ở các ngày khá cao và cũng đến ngày 25 thì chúng mới thực sự giảm và ổn định. c) Từ hình 4.11 đến 4.13 là hình biểu diễn sự thay đổi của sự thay đổi SCOD theo thời gian phân hủy các mẫu (1 đến 8), loạt mẫu khống chế tỉ lệ vi sinh trên chất nền (1,5/1) để khảo sát sự biến thiên của pH từ 6,5 đến 7,9. Khối lượng cụ thể của cơ chất phân hủy và lượng vi sinh trong mỗi bình ủ được Bảng 4.2: khối lượng cơ chất và vi sinh trong mỗi mẫu ủ khống chế pH (6,5 – 7,9) thể hiện trong bảng dưới đây Số Cơ chất (g ) Vi sinh (g) R I/S Điều kiện (pH) 1 500g 1000g 1.5 6.5 2 500g 1000g 1.5 6.7 3 500g 1000g 1.5 6.9 4 500g 1000g 1.5 7.1 5 500g 1000g 1.5 7.3 6 500g 1000g 1.5 7.5 7 500g 1000g 1.5 7.7 8 500g 1000g 1.5 7.9 Trong đó : R I/S : là tỉ lệ vi sinh trên chất nền ( tính theo lượng chất khô bay hơi) Trong hình 4.11 là hình thể hiện 2 mẫu ủ 1 và 2 với tỉ lệ vi sinh khống chế là 1,5/1 và pH (6,5 và 6,7). Ta thấy , ở ngày thứ 5 giá trị SCOD tăng đến cực đại đến ngày thứ 10 thì giá trị này giảm và từ đó nó dao động tương đối ổn định đến hết thời gian phân hủy. Hình 4.12 là hình biểu diễn của 3 mẫu 3,4,5 cùng điều kiện với hai mẫu 1 và 2. Ở 3 mẫu này lượng SCOD đạt cực đại vào ngày thứ 5 nhưng đến ngày thứ 10 thì lượng SCOD này giảm đáng kể và bắt đầu dao động ổn định. Do đây là giá trị pH tối ưu của mẫu ủ nên ở cả 3 mẫu này thời gian phân hủy rất nhanh và lượng SCOD giảm mạnh so với giai đoạn đầu. Tiếp theo là hình 4.13 do giá trị pH khá cao nên đến ngày thứ 5 giá trị SCOD này tăng lên cao hơn so với các mẫu khác, đến ngày thứ 10 giá trị SCOD này lại giảm xuống khá thấp và đến ngày thứ 13 chúng lại bắt đầu tăng trở lại và dao động trong khoảng (± 3000 ) và đến ngày thứ 30 thì chúng bắt đầu dao động trong khoảng nhỏ hơn và ổn định hơn. d) Trong loạt mẫu tiếp theo là loạt mẫu biểu diễn sự thay đổi của TS theo thời gian phân hủy khống chế pH ở tỉ lệ tối ưu (6,8 – 7,3),loạt mẫu có khuấy trộn và khảo sát tỉ lệ vi sinh trên chất nền. Đối với TS thì thời gian phân tích mẫu lâu hơn (1 tuần 1 lần ), ở hình 4.14 ta khảo sát 2 mẫu. Mẫu 1 ( 0.75), mẫu 2 (1 ) ta thấy ở những ngày đầu do lượng vi sinh và khối lượng bã khoai mì ở mỗi mẫu là như nhau nên lượng TS tăng cao và sau đó giảm dần theo tời gian phân hủy của bã, mẫu 2 có tỉ lệ vi sinh cao hôn nên giá trị TS cũng nhỏ hơn mẫu 1. Hình 4.15 là hình biểu diễn của 3 mẫu ( 3,4 và 4’), ta thấy rằng hai mẫu 4 và 4’ do lượng vi sinh ban đầu nhiều nên giá trị của TS ở những ngày đầu cũng tăng cao, sao đó khi đã được phân hủy thì lượng TS này giảm đáng kể. Riêng ở mẫu thứ 3 đến khi kết thúc quá trình phân hủy của mẫu ủ, lượng TS vẫn cao hơn hai mẫu 4 và 4’. Điều này cũng chứng minh thêm một điều tỉ lệ vi sinh trên chất nền ( 1,5/1) chính là tỉ lệ tối ưu. Đối với 3 mẫu 5,6,7 trong hình 4.16 thì giá trị TS của 3 mẫu ban đầu là như nhau, mẫu 5 lượng Ts nhỏ hơn mẫu 6 và 7 nưng không đáng kể và sau khi kết thúc thời gian ủ mẫu thì lượng TS của 3 mẫu này không giảm đi bao nhiêu và hai mẫu 5 và 6 thì TS lớn hơn mẫu số 7. Þ Từ đây ta có thể rút ra két luận là giá trị TS ban đầu cao hay thấp thì phụ thuộc vào tỉ lệ vi sinh trên chất nền nhưng qua thời gian phân hủy mẫu thì cho thấy lượng vi sinh vừa đủ vừa giúp cho quá trình phân hủy diễn ra nhanh hơn và giá trị TS cũng giảm đi 1 lượng không nhỏ. CÔNG NGHỆ ĐỀ XUẤT CHO QUÁ TRÌNH XỬ LÍ BÃ KHOAI MÌ THU GOM TỪ CÁC CƠ SỞ SẢN XUẤT VÀ CHẾ BIẾN KHOAI MÌ TRONG Qua những kết quả thu được từ các mẻ thí nghiệm, và qua những thảo luận xung quanh các thí nghiệm đó về điều kiện phân hủy tối ưu, có thể rút ra một số kết luận làm tiền đề cho công nghệ xử lí hỗn hợp thải bã khoai mì như sau : Độ pH : Kết quả của lô thực nghiệm cho thấy nếu pH nằm ngoài khoảng tối ưu (6.8 – 7.3) thì tốc độ phân hủy củng như lượng SCOD sinh ra là khá cao. Bã thải sau khi ủ cũng chứa lượng ô nhiễm khá cao, do đó duy trì pH trong khoảng tối ưu là cần thiết. Tuy nhiên, nếu tăng lượng vi sinh ban đầu có thể làm giảm tác động của pH. Nhưng nếu quá nhiều men iống sẽ làm tăng khối tích bể phân hủy vì thế lựa chọn điều kiện ứng với mẫu 4 trong lô thứ 1 của mẻ sẽ cho khoảng pH khá tối ưu,hiệu quả phân hủy tốt. Việc theo dõi pH thường xuyên vẫn là cần thiết. Nếu pH thời gian đầu thấp thì sử dụng NaOH nâng lên đến khoảng tối ưu, không sử dụng Ca(OH)2 vì tuy giá thành rẻ nhưng sữa vôi chỉ có tác dụng nâng pH tốt đến giới hạn 6,7 – 6,8. Qua giới hạn này vôi tác dụng với CO2 tạo thành CaCO3 kết tủa vừa không có tác dụng nâng pH vừa làm tăng lượng chất không phân hủy trong bã thải kết cấu quá trình phân hủy : Thực nghiệm này là cơ sở ban đầu cho thấy có thể tiến hành phân hủy kị khí hỗn hợp chất thải bã khoai mì vốn vẫn được coi là hợp chất khó phân hủy. các thực nghiệm được tiến hành dưói dạng mẻ với thời gian mỗi mẻ là 35 ngày (thực tề khoảng 25 ngày là có thể kết thúc mẻ) và công nghệ đề xuất dưới đây cũng là theo dạng mẻ. Do lượng vi sinh ban đầu cần sử dụng để phân hủy cơ chất là lớn nên tổng thể tích cho mỗi mẻ ( vi sinh và chất nền) cũng khá lớn do đó công nghệ chưa mang tính thực tiễn cao. Vì vậy trong thực tế cần nghiên cứu sâu hơn để xem xét tính khả thi và phù hợp của điều kiện phân hủy chất nền bán liên tục ( sau vài ngày lại đưa cơ chất vào bể phân hủy với lượng nhỏ hơn ) tốc độ nạp chất nền, thời gian lưu cần thiết. Khi đó, thể tích bể phân hủy theo kiểu bán liên tục sẽ nhỏ hơn so với kiểu mẻ. Tính chất của chất nền : Những thí nghiệm thực hiện trng đồ án này có hàm lượng các chất ô nhiễm ở khoảng trung bình so với thực tế. Trong thực tế thì hàm lượng các chất trong mẫu có thể lớn hơn hay nhỏ hơn mẫu nghiên cứu. Các đặc trưng quan trọng nhất cần quan tâm là TS và SCOD. Vì vậy cần khảo sát tiếp khả năng phân hủy của những mẫu có nồng độ các chất trên ở mức cao. Khi chưa có những nghiên cứu tương ứng cần pha loãng mẫu đến giới hạn nồng độ đã nghiên cứu trước khi cho mẻ mới vào để phân hủy. Các chất dinh dưỡng : Cần bổ sung đầy đủ các chất để đạt tỉ lệ C:N:P tối ưu là 200:7:1. Các chất có thể sử dụng làm nguồn bổ sung N và P (nếu thiếu) là urea và kali photphat. Khuấy trộn : Hỗn hợp ủ trong bể phân hủy cần được khuấy trộn đầy đủ. Trên đây là những yêu cầu cơ bản cho hệ thống phân hủy kị khí các cơ chất giàu tinh bột như khoai mì. Phân hủy sinh học kị khí là quá trình rất phức tạp gồm hàng trăm phản ứng trung gian xảy ra đồng thời. Ngoài ra, còn phải kể đến các yếu tố khác như ảnh hưởng của loại vi sinh, chất nền hỗn hợp càng khiến mô hình trở nên phức tạp và đòi hỏi nhiều thông số đầu vào. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ KẾT LUẬN Từ kết quả thu được trong nghiên cứu sự phân hủy kị khí hỗn hợp chất thải bã khoai mì thu gom từ các cơ sở sản xuất và chế biến tinh bột khoai mì. hỗn hợp chất thải bã khoai mì chiếm khoảng 50 % hàm lượng các chất hữu cơ có thể phân hủy được bằng quá trình phân hủy kị khí. Đã tiến hành các thí nghiệm phân hủy kị khí chất thải nêu trên với mô hình thí nghiệm tự chế tạo đạt hiệu suất phân hủy 70 % trong điều kiện pH của dịch ủ nằm trong vùng tối ưu cho vi khuẩn sinh trưởng và phát triển là 6,8 – 7,3. Khi pH < 6,5 hiệu suất phân hủy giảm rõ rệt, chỉ đạt dưới 50 %. Để phân hủy cơ chất có độ ẩm hấp thì tỉ lệ vi sinh trên chất nền tối ưu là 1,5 :1 ở điều kiện nhiệt độ ưa ấm. Hiệu quả phân hủy ở điếu kiện tự nhiên (30± 3oC) đạt xấp xỉ hiệu quả phân hủy ở 35oC ( khi pH và tỉ lệ vi sinh trên chất nền là tối ưu). Như vậy điều kiện khí hậu nóng ẩm tự nhiên ở Việt Nam là rất thuận tiện cho hoạt động phân hủy kị khí chất thải bã khoai mì, tạo thuận lợi cho việc triển khai công nghệ sinh học kị khí thu nhận khí sinh học từ lọai chất thải này. ĐỀ NGHỊ Tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện các thông số kĩ thuật như hàm lượng tinh bột trong bã tối đa cho phép, các loại vi sinh khác nhau, các thông số vận hành, các biện pháp nâng cao hiệu quả phân hủy ( kết cấu nhiều đơn nguyên, bổ sung các yếu tố dinh dưỡng, chế phẩm sinh học) để làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng quy trình công nghệ xử lí theo mẻ.